東北大學研究人員建立了一個框架，以了解氮化鋯（ZrN）在增強清潔能源反應中的作用，為燃料電池中的鉑等材料提供了具有成本效益的替代品。這項研究對清潔能源技術至關重要，同時也為其他類似材料帶來了希望。

一組研究人員揭開了最近發現的一種有助於促進清潔能源反應的材料- 氮化鋯（ZrN）–背後的奧秘。他們提出的框架將有助於未來過渡金屬氮化物的設計，為產生更清潔的能源鋪路。

這項研究最近發表在《化學科學》（Chemical Science）雜誌上，並被列為封面文章。

陰離子交換膜燃料電池（AEMFC）是利用氫氣和氧氣透過化學反應（特別是氫氧化反應和氧還原反應）產生清潔電力的裝置。AEMFC 能夠在鹼性條件下運行，為土基催化劑提供了合適的環境，為鉑等其他高效催化劑材料提供了更廉價的替代品。

在ORR 條件下，在ZrN 上發現的羥基覆蓋表面就像一片”森林”，從而產生了很高的ORR 活性。圖片來源/李浩

最近的研究表明，ZrN 在鹼性介質中用於ORR 時表現出高效性能，甚至超過了鉑。氮化鋯雖然不是一種富土材料，但仍比其他材料更具成本效益。但其令人印象深刻的性能背後究竟隱藏著什麼，科學家一直不得而知。

東北大學材料科學高等研究所（WPI-AIMR）副教授、論文通訊作者李浩解釋：”為了實現我們對氮化鋯的新理論框架，我們決定採用表面狀態分析、電場效應模擬和依賴pH 值的微動力學建模。”

表面分析表明，ZrN 在進行ORR 時有一層非常薄的HO。這層薄薄的HO有助於分子以一種有利於ORR的方式黏附在上面。此外，電場效應模擬證明，黏附在這種薄覆蓋表面上的原子氧變化極小，因此黏附程度適中。在進行電腦模擬後，研究人員發現ZrN 在鹼性條件下達到了ORR 的甜蜜點。

“我們的測試理論不僅適用於ZrN，也適用於Fe3N、TiN和HfN等與ZrN相似的其他材料，這意味著我們的想法也解釋瞭如何利用這些材料來實現清潔能源。這一框架將有幫助於合理設計用於鹼性ORR 的過渡金屬氮化物。”

未來，李浩和他的團隊計劃擴展這個框架，以研究其他具有重要工業意義的反應，如氧進化反應。